Fille de l’art, Isabelle Rossellini est née à Rome par l’actrice Ingrid Bergman et le directeur Roberto Rossellini. Dès son plus jeune âge, elle fréquente les meilleurs décors de cinéma, s’intéressant de plus en plus aux costumes. En fait, il a étudié à l’Académie du Costume et de la Mode à Rome, en collaboration avec la première épouse de son père, Marcella De Marchis. À dix-neuf ans, elle s’installe à New York, où elle travaille comme journaliste pour la Rai.
A vingt-huit ans, elle débute sa carrière de mannequin, puis collabore avec des photographes célèbres qui l’ont immortalisée. Il fait ses débuts au cinéma en 1976 avec une brève apparition dans Nina de Vincente Minnelli, puis dans un rôle principal dans Il Prato, en 1979. En 1985, il apparaît dans son premier film américain Il sole a minuit.
Au départ, l’industrie cinématographique américaine s’est méfiée d’elle, mais l’actrice n’a jamais abandonné, se consacrant principalement à des productions indépendantes ou européennes, qui ne l’ont en aucun cas étiquetée. Parmi les films les plus célèbres – en Italie et à Hollywood – on se souvient : La mort te rend belle, Immortel bien-aimé, Frères, Les tricheurs, Le ciel tombe, Les valises de Tulse Luper – l’histoire de Moab, Infamous – une mauvaise réputation, Un mari aussi beaucoup, La solitude des nombres premiers, L’ère juridique, Joy, Vita & Virginia.
L’année où elle a fait ses débuts d’actrice, elle a épousé le réalisateur Martin Scorsese, avec qui elle est allée vivre à New York. Les deux, cependant, n’ont divorcé qu’au bout de trois ans, se remariant avec le mannequin Jon Wiedemann, avec qui il a eu sa fille Elettra. Il a également eu des relations avec David Lynch, Gary Oldman, Christian De Sica et Luciano De Crescenzo.
Rossellini est aussi écrivain. Active elle a écrit trois livres : en 1997, elle se consacre à son autobiographie, Some of me ; en 2006 est sorti Au nom du père, de la fille et des esprits saints et enfin Mon père a 100 ans, tous deux dédiés à son père.